JP4729720B2 - 面状照明装置及びこの面状照明装置をバックライトとした液晶表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、面状照明装置とそれを用いた液晶表示装置に係り、液晶表示パネルの照明光源として発光ダイオード等の固体発光素子からなる複数の点光源を混色して白色光あるいは所望の色光を面状に放射する照明装置、およびこの照明装置をバックライトとした液晶表示装置に関する。

液晶表示装置では、外光を利用するものを除いてその液晶表示パネルに形成した電子潜像を可視化するための照明装置が設けられる。照明装置は、液晶表示パネルの背面あるいは前面に設置され、液晶表示パネルの背面に設置する照明装置はバックライトと称し、前面に設置する照明装置はフロントライトと称するのが一般的である。

携帯電話機等の小型情報端末のバックライトとしては、表示画面サイズが比較的大きなノートパソコンなどのように冷陰極蛍光ランプを側面（サイドエッジ、入光面）に配置した導光体を有するものもあるが、冷陰極蛍光ランプに代えて消費電力が少ない発光ダイオードに代表される固体発光素子である点光源を１又は複数個用いるものが適している。なお、このような固体発光素子を用いたバックライトはノートパソコンや各種情報機器のディスプレイモニター、テレビ受像機のディスプレイにも適用される。ここでは、固体発光素子として発光ダイオード（以下、ＬＥＤとも略記する）を例として説明する。

バックライトには、導光板の側縁に光源を設置するサイドエッジ型と光源を液晶表示パネルの背面に直接設置する直下型とが知られている。ＬＥＤを用いたバックライトは、色再現性が良いことが特徴であるが、薄型化と軽量化、低消費電力化の観点から導光板を用いたサイドエッジ型が一般的に採用されている。ＬＥＤを用いたサイドエッジ型のバックライトは、アクリル板等の透明な板（導光板）の側面にＬＥＤを設置し、ＬＥＤの放射光を導光板に伝播させる途上で導光板の面方向に光路変更させることで面光源とする構造である。この種のバックライトに関しては、特許文献１、特許文献２などを挙げることができる。

また、上記の各特許文献に開示のＬＥＤは、その出光軸を導光板の平面に平行になるように、当該導光板の側面に設置される。特許文献３には、ＬＥＤの出光面に特殊なレンズを設置して光を出光軸と直交する方向に放射させるようにしたものが開示されている。
特開２００４−２０００７２号公報 特開２００４−６１８７号公報 特開２００４−１３３３９１号公報

バックライトの照明光は、所謂白色であることが要求されるため、ＬＥＤを用いて直下型バックライトを構成する場合、光の３原色である赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）３色のそれぞれを単色発光するＬＥＤチップを組み合わせ、それらの混色で白色光を得るように構成される。この場合、ＬＥＤチップが点光源であることから色むらが発生し易い。

通常、３色を混色させる場合、３つのＬＥＤチップを接近させるか、液晶表示パネルとの距離を離す必要がある。しかし、ＬＥＤチップ間の接近配置には限度があり、接近させることで温度が上昇し、ＬＥＤチップの発光効率が低下する。また、表示パネルとの距離を離すことはバックライトを厚くし、液晶表示装置の小型化、軽量化を損なう。さらに、３色のＬＥＤを多数の配置して白色面状照明装置とした際の個々のＬＥＤの特性ばらつきによる混合色と輝度の分布にむらが生じることがある。

本発明の目的は、ＬＥＤチップの発光効率を低下させることなく、また混合色と輝度の分布にむらのない、かつ小型化、軽量化を実現した面状照明装置、及びこの面状照明装置をバックライトとした液晶表示装置を提供することにある。

本発明の面状照明装置は、平板状の多角形の導光板と複数の異なる発光色のＬＥＤチップを組み合わせて混色ユニットを形成し、これを複数配置して直下型バックライトの混色構造とする。この混色ユニットで生成した白色光を導光板の平面方向に出光させる。そして、混色ユニットを二次元的に多数配置して所要の面積を有する面状照明装置とする。これを液晶表示パネルの背面に組み込んで液晶表示装置を構成する。

個々の混色ユニットを構成する導光板の平面形状は三角形以上で、その各角に切取面を形成し、その各切取面のそれぞれに異なる原色を発光するＬＥＤチップを配置する。例えば、正三角形の導光板を用いる場合は、その各角に形成した切取面のそれぞれの側壁に赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の色光をそれぞれ発光するＬＥＤチップを設置する。

導光板の下面（裏面）には白色ドット等の印刷、あるいはシボ等の加工を施し、またＬＥＤチップを設置する角を除く導光板の辺の側面には反射シートが設けられる。反射シートの背面には反射板が設けられる。そして、導光板の上面（液晶表示パネルの背面に対向する面）には拡散シートが設置されて混色ユニットを構成する。このような混色ユニットにおいて、各ＬＥＤチップからの光は導光板の中央領域で混合されて白色光となる。この白色光は前記白色印刷ドットやシボなどの作用で導光板の上面から液晶表示パネル方向に放射される。導光板の平面から光が出射するメカニズムは既知のサイドエッジ型バックライトのそれと同様である。このようなＬＥＤユニットを二次元的に複数個配置して必要な広がりを持つバックライトを構成する。

また、四角形の導光板を用いる場合は、その各角に形成した切取面の一つの対角線上の対角にある切取面にＲとＧのＬＥＤチップを設置し、他の対角線上の対角にＢをそれぞれ発光するＬＥＤチップを設置する。この場合は、ＢのＬＥＤチップの発光効率が他のＬＥＤチップに比べて低いことを理由としたものである。これはあくまで一例であって、他のＬＥＤチップの効率が低い場合、あるいは特定の色の輝度を大きくした場合などには、その色のＬＥＤチップを２個用いることができる。これは、ＬＥＤチップの発光効率や演色性（color rendering）などを考慮して他の色のＬＥＤチップを２個用いることができることを意味する。

さらに、導光板を五角以上の多角形とした場合には、ＲとＧおよびＢのＬＥＤを適宜の数組み合わせて、白色あるいは所望の演色に調整した色光を生成できる。

本発明は、上記のような面状照明装置はＬＥＤチップの発光効率を低下させることなく、また混合色と輝度の分布にむらのない、かつ小型化、軽量化を実現できる。この面状照明装置は面光源として様々な分野に適用できることは言うまでもない。ここでは、特に、これをバックライトとして液晶表示パネルに組込み組み合わせることで、薄型化、あるいは小型薄型化および低消費電力化が達成でき、高輝度、高品質の液晶表示装置を提供できる。

以下、本発明の最良の実施形態について、実施例の図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明による面状照明装置の実施例１を説明するための混色ユニットの要部構造図である。図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）の矢印方向からみた側面図である。そして、図２は、図１の導光板の下面の構造図である。実施例１のバックライトは混色ユニットを二次元に複数配置して構成される。

図１に示した混色ユニットＤＵＴは、アクリル樹脂板を好適とする透明な導光板ＧＬＢ、ＬＥＤチップＤ１、Ｄ２、Ｄ３、反射シートＲＦＳ、反射板ＲＦＢ、拡散シートＤＦＳで構成される。実施例１の導光板ＧＬＢは三角形であり、その各角は切取られて三角形の中心に正対する切取面ＣＴＦ１、ＣＴＦ２、ＣＴＦ３としてある。この切取面ＣＴＦ１、ＣＴＦ２、ＣＴＦ３にＬＥＤチップＤ１、Ｄ２、Ｄ３がそれぞれ設置されている。なお、ここでは、ＬＥＤチップＤ１は赤（Ｒ）、Ｄ２は緑（Ｇ）、Ｄ３は青（Ｂ）の各色光を出射するものとして説明する。

導光板ＧＬＢの裏面には複数の白色ドットＲＥＰが印刷されている。この白色ドットＲＥＰはＬＥＤユニットから入射した光を上面方向に出射させる機能を有する。このような白色ドットＲＥＰの印刷に代えて、当該裏面にシボと称する多数の凹部（凸を含むこともある）を加工したものに同様の機能を持たせることもできる。そして、導光板ＧＬＢの上面側には拡散シートＤＦＳが設置されている。拡散シートＤＦＳは拡散板であってもよい。また、導光板ＧＬＢの側面には、前記したＬＥＤチップの設置部分を除いて反射シートＲＦＳが貼付されている。

このような構造とした混色ユニットにおいて、ＬＥＤチップＤ１、Ｄ２、Ｄ３からそれぞれ出射した赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の各色光は導光板ＧＬＢの内部に導入される。導入された赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の各色光は、破線で示した導光板ＧＬＢの中央部分で混色され、白色光となって上面方向に放射される。なお、ＬＥＤチップＤ１、Ｄ２、Ｄ３に供給する電流を調整することで白色光の色度図上での座標を任意に設定することができる。

図３は、本発明による面状照明装置の実施例１を説明する図であり、図３（ａ）は平面を、図３（ｂ）は図３（ａ）のＡ‐Ａ線に沿った断面を示す。この面状照明装置は、図１と図３で説明した混色ユニットＤＵＴの複数個を二次元に配列したものである。実施例１の面状照明装置は、一枚の短冊状のプリント基板ＲＦＢに７個の混色ユニットＤＵＴを搭載し、このプリント基板ＲＦＢを有底の枠ＦＲＭに４枚平面的に収納して構成される。プリント基板ＲＦＢの上面（混色ユニットＤＵＴを搭載する面）は反射面としてある。なお、この反射面に代えて反射シートを設けることもできる。

上記のように、この面状照明装置は、２８個の混色ユニットＤＵＴで構成される。枠ＦＲＭに配置する際には、図３（ａ）の破線の円Ｃ１で示したように、混色ユニットＤＵＴの三角形を上下交互に並べて隣接する混色ユニットの同じ発色のＬＥＤチップが隣合せにならないようにして、混色が均等になるようにした。

図４は、本発明による面状照明装置の実施例２を説明する図３（ａ）と同様の平面図である。図４の混色ユニットＤＵＴの構造は実施例１と同じである。この実施例では、枠ＦＲＭに長手方向を図４の横方向に平行にして配置するプリント基板ＲＦＢに搭載する混色ユニットＤＵＴの配置を、当該プリント基板ＲＦＢ上での奇数列目と偶数列目とでずらしてある。この配列によっても、図４に破線の楕円で示すように、混色ユニットの同じ発色のＬＥＤチップが隣合せにならないようにして、混色が均等になるようにした。他の構成は図３と同じである。

図５は、本発明による面状照明装置の実施例３を説明する図であり、図５（ａ）は平面図、図５（ｂ）は図５（ａ）のＡ‐Ａ'線に沿った断面図を示す。実施例３は、導光板ＧＬＢを四角形とし、その各角は切取られて時計周りに四角形の中心に正対する切取面ＣＴＦ１、ＣＴＦ２、ＣＴＦ３、ＣＴＦ４としてある。この切取面ＣＴＦ１、ＣＴＦ２、ＣＴＦ３、ＣＴＦ４にＬＥＤチップＤ１、Ｄ３、Ｄ２、Ｄ３がそれぞれ設置されている。なお、図１と同様に、ＬＥＤチップＤ１は赤（Ｒ）、Ｄ２は緑（Ｇ）、Ｄ３は青（Ｂ）の各色光を出射するものとする。

実施例３では、四角形の導光板ＧＬＢの切取面ＣＴＦ１にＬＥＤチップＤ１を、ＣＴＦ２にＬＥＤチップＤ３を、切取面ＣＴＦ３にＬＥＤチップＤ２を、ＣＴＦ４にＬＥＤチップＤ３を設置してある。導光板ＧＬＢが四角形で、その各切取面に計４個のＬＥＤチップを設置する点を除いて図１で説明した混色ユニットＤＵＴと同様である。

図６は、本発明による面状照明装置の実施例３を説明する図３（a）又は図４と同様の平面図である。この実施例でも、枠ＦＲＭに長手方向を図４の横方向に平行にしてプリント基板ＲＦＢに搭載する混色ユニットＤＵＴの配置を、直近のＬＥＤチップが異なる色のＬＥＤチップであるようにして、混色ユニットの同じ発色のＬＥＤチップが隣合せにならないようにし、混色が均等になるようにした。

図７は、本発明による面状照明装置の実施例１、又は２における混色ユニットの固定構造を説明する図で、図７（ａ）は平面を、図７（ｂ）は図７（ａ）のＢ‐Ｂ線に沿った断面を示す。混色ユニットＤＵＴは固定フレームＦＦＲでプリント基板ＲＦＢに固定される。図１に示した混色ユニットＤＵＴに固定フレームＦＦＲを被せ、固定フレームＦＦＲの三辺に形成されたブラケット（ねじ穴を有する）ＢＫＴでプリント基板ＲＦＢにねじ止めで固定される。このとき、拡散シートＤＦＳを固定フレームＦＦＲと導光板ＧＬＢとで挟む。拡散シートＤＦＳと導光板ＧＬＢの間の周辺の全部又は一部に、相互の間隔を離すための適宜のスペーサを介在させてもよい。

図８は、本発明による面状照明装置の実施例３における混色ユニットの固定構造を説明する図で、図８（ａ）は平面を、図８（ｂ）は図８（ａ）のＣ‐Ｃ線に沿った断面を示す。混色ユニットＤＵＴは固定フレームＦＦＲでプリント基板ＲＦＢに固定される。図５に示した混色ユニットＤＵＴに固定フレームＦＦＲを被せ、固定フレームＦＦＲの四辺に形成されたブラケットＢＫＴでプリント基板ＲＦＢにねじ止めで固定される。このとき、拡散シートＤＦＳを固定フレームＦＦＲと導光板ＧＬＢとで挟む。拡散シートＤＦＳと導光板ＧＬＢの間の周辺の全部又は一部に、相互の間隔を離すための適宜のスペーサを介在させてもよい。

図９は、本発明による面状照明装置の各実施例におけるＬＥＤチップの配線例を説明する図である。ここでは、各プリント基板ＲＦＢに搭載される各混色ユニットの各ＬＥＤチップは直列に接続されている。そして、各色のＬＥＤチップに対応するアノード端子ＡＲ、ＡＧ、ＡＢからカソード端子に給電する。

図１０は、本発明による面状照明装置の実施例１又は実施例２における混色ユニットを搭載した一枚のプリント基板ＲＦＢでの配線構造例の説明図である。赤（Ｒ）色ＬＥＤチップの結線は点線で、緑（Ｇ）色ＬＥＤチップの結線は破線で、青（Ｂ）色ＬＥＤチップの結線は一点鎖線で示す。

図１１は、本発明による面状照明装置の実施例３における混色ユニットを搭載した一枚のプリント基板ＲＦＢでの配線構造例の説明図である。赤（Ｒ）色ＬＥＤチップの結線は点線で、緑（Ｇ）色ＬＥＤチップの結線は破線で、青（Ｂ）色ＬＥＤチップの結線は一点鎖線で示す。

図１２は、本発明による液晶表示装置の構成例を模式的に説明する展開斜視図である。図１２は所謂縦電界方式（ＴＮ方式）の液晶表示パネルを用いたものである。この液晶表示装置は、ＴＦＴ基板ＳＵＢ１とＣＦ基板ＳＵＢ２の間に液晶ＬＣを封入してある。ＴＦＴ基板ＳＵＢ１の主面にはアクティブ素子として薄膜トランジスタ回路を用いたマトリクス配列の多数の画素を構成する画素電極ＰＸ、画素のマトリクス配列領域（表示領域）の周囲に実装されたゲートドライバＧＤＲ、ドレインドライバＤＤＲおよび付属回路ＣＩＲが形成されている。この表示領域を含む最表面を覆ってＴＦＴ基板側配向膜ＯＲＩ１が成膜されている。なお、図１２では、ＴＦＴ基板ＳＵＢ１とＣＦ基板ＳＵＢ２を同サイズで示したが、ＴＦＴ基板ＳＵＢ１はＣＦ基板ＳＵＢ２からはみ出している。これを図１２では縦の点線で示した。

ＣＦ基板ＳＵＢ２の主面には対向電極（この方式では共通電極とも称する）ＣＴとカラーフィルタＣＦが形成され、前記表示領域に対応する領域を含む最表面を覆ってＣＦ基板側配向膜ＯＲＩ２が成膜されている。

ＴＦＴ基板ＳＵＢ１の配向膜ＯＲＩ１とＣＦ基板ＳＵＢ２の配向膜ＯＲＩ２の間に液晶ＬＣが封入されてシールＳＬで封止されている。なお、ＴＦＴ基板ＳＵＢ１の外面、およびＣＦ基板ＳＵＢ２の外面には、それぞれ偏光板ＰＯＬ１、ＰＯＬ２が積層されている。この液晶表示装置は透過型であり、ＴＦＴ基板ＳＵＢ１の背面に前記した本発明の面状照明装置を用いたバックライトＢＬが設置されている。

本発明によれば、ＬＥＤチップの発光効率を低下させることなく、また混合色と輝度の分布にむらのない、かつ小型化、軽量化を実現した面状照明装置、及び面状照明装置をバックライトとして用いた液晶表示装置を提供することができる。

なお、本発明は、上記した実施例の構成に限定されるものではなく、本発明の技術思想を逸脱することなく種々の変更が可能である。

本発明による面状照明装置の実施例１を説明するための混色ユニットの要部構造図である。 図１の導光板の下面の構造図である。 本発明による面状照明装置の実施例１を説明する図である。 本発明による面状照明装置の実施例２を説明する図３（ａ）と同様の平面図である。 本発明による面状照明装置の実施例３を説明する図である。 本発明による面状照明装置の実施例３を説明する図３（a）又は図４と同様の平面図である。 本発明による面状照明装置の実施例１、又は２における混色ユニットの固定構造を説明する図である。 本発明による面状照明装置の実施例３における混色ユニットの固定構造を説明する図である。 本発明による面状照明装置の各実施例におけるＬＥＤチップの配線例を説明する図である。 本発明による面状照明装置の実施例１又は実施例２における混色ユニットを搭載した一枚のプリント基板ＲＦＢでの配線構造例の説明図である。 本発明による面状照明装置の実施例３における混色ユニットを搭載した一枚のプリント基板ＲＦＢでの配線構造例の説明図である。 本発明による液晶表示装置の構成例を模式的に説明する展開斜視図である。

符号の説明

ＤＵＴ・・・混色ユニット、ＧＬＢ・・・導光板、Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３・・・・ＬＥＤチップ、ＲＦＳ・・・反射シート、ＲＦＢ・・・反射板、ＤＦＳ・・・拡散シート、ＣＴＦ１、ＣＴＦ２、ＣＴＦ３・・・切取面、ＲＥＰ・・・・白色ドット。

Claims (16)

1. 平面形状が正多角形で透明な導光板と、該導光板の角部に設置されて光の三原色の何れかの色光を前記導光板の内部に向けて入射するＬＥＤチップとからなる混色ユニットと、
   前記混色ユニットを複数個搭載して二次元の拡がりを持つ面状の光源を構成する反射板とを有し、
   前記ＬＥＤチップは前記反射板に設けられ、各ＬＥＤチップは前記反射板に設けられた配線によって給電され、前記混色ユニットの隣り合う２つのＬＥＤチップの間に配線を設けて、異なる混色ユニットの同色のＬＥＤチップを直列に接続し、
   前記導光板の上面から前記混色ユニットで生成された混色光を放射することを特徴とする面状照明装置。
2. 請求項１において、
   前記導光板の少なくとも隣接する角部に設置されてＬＥＤチップは光の三原色の異なる色光を出射することを特徴とする面状照明装置。
3. 請求項１又は２において、
   前記導光板の下面には、前記ＬＥＤチップから入射した光を前記上面に反射させるための反射処理が施されていることを特徴とする面状照明装置。
4. 請求項１又は２において、
   前記導光板の前記ＬＥＤチップを設置する角部を除く側面に、前記ＬＥＤチップから入射した光を当該導光板の内部に戻すための反射シートを有することを特徴とする面状照明
   装置。
5. 請求項１又は２において、
   前記反射板は、前記混色ユニットのＬＥＤチップに給電する配線を備えるプリント基板を兼ねることを特徴とする面状照明装置。
6. 請求項１又は２において、
   前記導光板の上面を覆って、前記混色ユニットで生成された白色光を拡散させる拡散シートを備えたことを特徴とする面状照明装置。
7. 請求項１又は２において、
   前記導光板の平面形状は正三角形であることを特徴とする面状照明装置。
8. 請求項７において、
   前記導光板の角部のそれぞれに、赤色発光ＬＥＤチップ、緑色発光ＬＥＤチップ、青色発光ＬＥＤチップが設置されていることを特徴とする面状照明装置。
9. 請求項１又は２において、
   前記導光板の平面形状は正四角形であることを特徴とする面状照明装置。
10. 請求項９において、
    前記導光板の角部のそれぞれに、赤色発光ＬＥＤチップ、緑色発光ＬＥＤチップ、青色発光ＬＥＤチップおよびこれらのＬＥＤチップの一つが追加されて設置されていることを特徴とする面状照明装置。
11. 請求項１０において、
    前記導光板の一つの対角線上に位置する両角部に、前記３色のＬＥＤチップの一つが設置されていることを特徴とする面状照明装置。
12. 液晶表示パネルと、この液晶表示パネルの背面に設置された面状照明装置とを有する液晶表示装置であって、
    前記面状照明装置は、平面形状が正多角形で透明な導光板と、該導光板の各角部に設置されたＬＥＤチップとを有し、少なくとも隣接する前記角部に設置された前記ＬＥＤチップは光の三原色の異なる色光を当該導光板の内部に向けて入射する如く構成された混色ユニットと、前記混色ユニットを複数個搭載して二次元の拡がりを持つ面状の光源を構成する反射板とを有し、
    前記ＬＥＤチップは前記反射板に設けられ、各ＬＥＤチップは前記反射板に設けられた配線によって給電され、前記混色ユニットの隣り合う２つのＬＥＤチップの間に配線を設けて、異なる混色ユニットの同色のＬＥＤチップを直列に接続し、
    前記導光板の上面から前記液晶表示パネルに向けて前記混色ユニットで生成された混色光を放射することを特徴とする液晶表示装置。
13. 請求項１２において、
    前記面状照明装置を構成する前記導光板の下面には、前記ＬＥＤチップから入射した光を前記上面に反射させるための反射処理が施されていることを特徴とする液晶表示装置。
14. 請求項１２又は１３において、
    前記面状照明装置を構成する前記導光板の前記ＬＥＤチップを設置する角部を除く側面に、前記ＬＥＤチップから入射した光を当該導光板の内部に戻すための反射シートを有することを特徴とする液晶表示装置。
15. 請求項１２乃至１４において、
    前記面状照明装置を構成する前記反射板は、前記混色ユニットのＬＥＤチップに給電する配線を備えるプリント基板を兼ねることを特徴とする液晶表示装置。
16. 請求項１２乃至１５において、
    前記面状照明装置を構成する前記導光板の上面を覆って、前記混色ユニットで生成された白色光を拡散させる拡散シートを備えたことを特徴とする液晶表示装置。
    
    
    

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